Detecção de falhas baseada no modelo modal

3.2.1. Mudanças nas formas modais

Medidas das formas modais de uma estrutura podem ser obtidas através de um ponto de excitação e muitos sensores ou uma fibra excitante com um ou mais sensores fixados. Muitas técnicas de análise modal são válidas para a extração das formas modais para os dados medidos no domínio do tempo. Métodos de detecção de falhas têm sido desenvolvidos baseados diretamente nas formas modais ou nas curvaturas das formas modais.

Maia et al. (2003) apresentaram uma série de simulações numéricas, assim como um exemplo experimental usando uma viga simples a fim de comparar os vários métodos de detecção de falhas baseados em mudanças nas formas modais. Propuseram também uma generalização destes métodos para os completos intervalos de frequências medidas, isto é, os métodos baseados em formas modais se tornam baseados em ODSs (operational deflection

shape), que descreve as formas (no espaço) exibidas pela estrutura em cada frequência de excitação, dadas pelas respostas normalizadas das frequências de excitação.

Xu et al. (2009) propuseram uma estratégia de detecção de falhas baseada na energia da aceleração de resposta. A metodologia é baseada na relação entre Função de Resposta em Frequência da aceleração de resposta e formas modais. Análises numéricas foram realizadas em pontes suspensas por cabos. Os resultados numéricos mostraram que a metodologia tem excelentes habilidades em localização de falhas e que as habilidades de localização de falhas perdem com o tempo em diferentes excitações para estruturas saudáveis e danificadas.

3.2.2. Curvaturas das formas modais

O uso das curvaturas das formas modais na identificação de falhas é baseado na hipótese que mudanças na curvatura das formas modais são fortemente localizadas para a região da falha e que são mais pronunciadas de que as mudanças nos deslocamentos das formas modais. Curvaturas modais têm sido também usadas em conjunção com outros dados de medida para identificar falhas.

Wahab (2001) usou formas de curvatura simuladas de uma viga em um algoritmo de atualização de modelos baseado na sensibilidade para identificar a falha. Foi encontrado que,

embora curvaturas fossem mais sensíveis para falhas do que as formas de deslocamento modais, a convergência pela adição da curvatura modal não foi melhorada.

Zhu e Xu (2005) apresentam um método para localização e avaliação de falhas, em que as inclinações e curvaturas das formas modais foram usadas para a localização de falhas, enquanto as frequências naturais foram usadas para quantificar sua extensão. Os exemplos numéricos e experimentais mostraram que as curvaturas das formas modais são mais sensíveis às falhas, mas parecem fornecer uma indicação melhor da posição das falhas. Também, as maiores mudanças nas frequências naturais implicam em uma sensibilidade mais elevada, que é útil para a escolha dos modos.

Lestari et al. (2007) desenvolveram uma técnica de identificação de falhas estruturais através da combinação de métodos analíticos e experimentais usando curvatura das formas modais. Uma relação analítica entre viga na condição saudável e danificada foi formulada, para o qual o efeito da falha na forma de perda de rigidez foi realizado. Sensores piezelétricos foram acoplados nas superfícies de vigas compósitas de carbono/epoxy e usados para a aquisição das curvaturas modais, o que simplifica o processo de identificação. Vários tipos de falhas foram introduzidos nas vigas para simular os cenários de falhas. O estudo mostrou que a técnica usando curvaturas das formas modais e materiais piezelétricos podem ser usados efetivamente para localizar falhas em estruturas laminadas compósitas.

Chandrashekhar et al. (2009) propôs um sistema de lógica fuzzy para detecção de falhas estruturais usando curvaturas das formas modais. Mudanças nas curvaturas modais devido a falha são realizadas através da lógica fuzzy e mapeadas para localização e quantificação de falhas estruturais. O método dos elementos finitos foi utilizado em uma viga cantilever para localizar e identificar o tamanho da falha. Estudos paramétricos mostraram que curvaturas das formas modais podem ser usadas com eficiência para localizar as falhas. Entretanto, a quantificação da falha é de difícil realização.

3.2.3. Energia de Deformação Modal

Choi e Stubbs (2004) desenvolveram um método para localizar e determinar o tamanho da falha em uma estrutura com respostas medidas no domínio do tempo. A energia de deformação para um certo intervalo especificado de tempo é obtida para cada elemento da estrutura, e usada, por sua vez, para construir um índice de falha que representa a relação dos parâmetros da rigidez das estruturas não danificadas e após estarem danificadas.

Patil e Maiti (2005) mostram uma verificação experimental de uma análise de energia para a predição da posição e tamanho de falhas múltiplas, baseada na medida de frequências naturais para vigas engastadas delgadas com duas ou três rachaduras. No modelo teórico, a viga foi dividida em um número de segmentos e cada segmento foi considerado estar associado com um índice de falha. O índice de falha se comporta como um indicador da quantidade de energia de deformação armazenada na falha (rachadura). O método é baseado no conceito de que a energia de deformação U de uma viga que contém uma rachadura é reduzida, pois a viga pode se deformar mais facilmente a uma mesma extensão do que a viga na condição sem falha.

3.2.4. Métodos baseados em FRFs

Alguns trabalhos na literatura têm concentrado no uso de medidas de FRF, opondo-se aos dados modais extraídos de medidas de FRF. Lee e Shin (2002) discutiram que há duas principais vantagens do uso de dados FRF. Primeiramente, dados modais podem ser contaminados com erros de extração modal porque eles são conjuntos de dados derivados. Em segundo lugar, um conjunto completo de dados modais não pode ser medido em todas as estruturas, mas somente nas estruturas mais simples. Dados de FRF podem providenciar mais informações a respeito da falha em uma faixa de frequência desejada, quando comparado com os dados modais que são extraídos de uma faixa limitada de frequência.

Fanning e Carden (2003) propuseram uma metodologia de detecção de falhas baseada em uma única entrada e uma única saída, através de um método numérico eficiente para calcular uma única FRF. O método requer um modelo numérico correlacionado da estrutura no seu estado inicial e uma única FRF medida do sistema com falha usando diversas frequências para detectar mudanças na estrutura. O método obteve sucesso na detecção de mudanças na rigidez em uma estrutura 2D simulada numericamente e, também na detecção de mudanças na massa em uma torre simulada numericamente em 3D.

Yang et al. (2008) discutiram um método de identificação de falhas baseado em vibrações utilizando funções de sensibilidade experimentais, que são combinações algébricas de medidas das Funções de Resposta em Frequência que refletem mudanças na resposta dos sistemas mecânicos quando, massa, rigidez ou amortecimentos são mudados. FRFs antes e depois da simulação da falha são comparadas com uma função de sensibilidade experimental. O método mostrou resultados relativamente confiáveis, tanto para experimentos quanto para

simulações analíticas, quando a mudança na massa ou na rigidez foi pequena. Funções de Resposta em Frequência são sensíveis a qualquer tipo de mudança em um sistema. Então, precauções devem ser tomadas quando esta técnica é aplicada para certos tipos de estruturas em condições ambientais altamente variáveis.